同步發(fā)電機在其額定負載范圍內(nèi)允許帶各種用電負荷。這些負荷的輸入特性會直接影響發(fā)電機的輸出電壓;當負載為純電阻性時,因為同步發(fā)電機的定子端電壓--電樞端電壓與負載電流是同相的,所以使得轉子磁場的前一半被定子磁場削弱,而后一半又被定子磁場加強,一周內(nèi)合成磁場平均值不變,發(fā)電機輸出電壓不變。負載呈現(xiàn)為純電感性時,則因負載電流滯后電樞端電壓90°而使得定子磁場削弱了轉子磁場,合成磁場降低,造成發(fā)電機輸出電壓下降。若負載是純電容性的,負載電流就會超前電樞端電壓90°,從而使定子磁場加強了轉子磁場,合成磁場增大,發(fā)電機輸出電壓上升。可見;合成磁場是使發(fā)電機性能變化的一個重要因素。而合成磁場中起主要作用的是轉子磁場即主磁場,因此,調(diào)控轉子磁場就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的輸出電壓改善其帶負載能力,從而達到在額定負荷范圍內(nèi)穩(wěn)住發(fā)電機輸出電壓的目的。
     (1)同步發(fā)電機轉子的勵磁
     所謂勵磁即是向同步發(fā)電機轉子提供直流電使其產(chǎn)生直流電磁場的過程。同步發(fā)電機轉子凹槽內(nèi)的線圈就是由稱做勵磁機的一個專門的設備為其供以直流電形成直流磁場的。早期的發(fā)電機是采用單獨的勵磁機給轉子線圈提供直流電的,系統(tǒng)龐大而復雜。隨著技術的進步,現(xiàn)代同步發(fā)電機都是將發(fā)電機與勵磁機組裝在一起構成一個完整的發(fā)電機。
     勵磁機其實就是個小發(fā)電機,它的工作原理與同步發(fā)電機一樣。所不同的是它的定子線圈和轉子線圈所起的作用與同步發(fā)電機--主發(fā)電機正好相反;固定在主發(fā)電機定子旁的勵磁機的定子線圈通以直流電形成直流磁場,而安裝在主發(fā)電機轉子軸上的勵磁機的轉子線圈成為輸出電動勢的電樞。勵磁機的轉子與定子內(nèi)壁之間也是保持著小而均勻的間隙。這也稱為旋轉電樞式結構的無刷同步發(fā)電機。安裝在主發(fā)電機定子旁的勵磁機定子線圈的直流電,是由主發(fā)電機定子線圈即電樞的部分輸出電壓經(jīng)整流后而得到的。與主發(fā)電機轉子同軸安裝的勵磁機轉子線圈在其定子線圈產(chǎn)生的磁場內(nèi)旋轉、切割磁力線所產(chǎn)生的感應電動勢,經(jīng)同軸安裝在它旁邊的整流器也就是旋轉整流器變成直流電流,輸?shù)街靼l(fā)電機的轉子線圈使其產(chǎn)生直流轉子磁場。從而達到了對主發(fā)電機轉子線圈勵磁的要求。
     (2)同步發(fā)電機輸出電壓的調(diào)控
     調(diào)控的目的就是實現(xiàn)在同步發(fā)電機額定負荷范圍內(nèi)穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控技術的理念是實時地從主發(fā)電機電樞取得電壓和電流,經(jīng)整流和負反饋調(diào)理后供給勵磁機的定子線圈,使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場,這個磁場也必然使勵磁機轉子電樞的輸出電壓及旋轉整流器供給主發(fā)電機轉子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實時調(diào)節(jié)主發(fā)電機轉子磁場大小,使主發(fā)電機在額定負荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。
     對發(fā)電機輸出電壓的調(diào)節(jié)過程,可以用以下的流程表示;
     由于負荷增加使主發(fā)電機電樞電壓↓(降) →經(jīng)負反饋調(diào)理后勵磁機定子電流及磁場↑→勵磁機轉子電樞輸出電壓↑→旋轉整流器輸出電流↑→主發(fā)電機轉子磁場↑→使主發(fā)電機電樞電壓↑
     若主發(fā)電機電壓升高,則其反饋調(diào)控使以上各環(huán)節(jié)作用降低,導致電壓回到額定值。
     可見通過勵磁機實時調(diào)控主發(fā)電機轉子磁場的大小,就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是負反饋調(diào)節(jié)單元,通常稱其為恒壓勵磁裝置和自動電壓調(diào)節(jié)器。
     (3)自動電壓調(diào)節(jié)器
     現(xiàn)代交流同步發(fā)電機常用自動電壓調(diào)節(jié)器AVR這種電子部件調(diào)節(jié)勵磁機定子磁場的強弱。雖然AVR的種類很多,但性能大同小異;都是實時采樣主發(fā)電機的輸出電壓值與預先設定的值相比較,用比較的結果去調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制器PWM;輸出電壓值高則調(diào)制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然后再用這些脈沖去調(diào)控大功率開關器件即三極管或場效應管控制送入勵磁機定子線圈的電流的時間。從而使它的磁場強弱隨著主發(fā)電機輸出電壓的變化而相反變化;即輸出電壓升高則勵磁機定子磁場減小,輸出電壓降低勵磁機定子磁場增強。從而達到負反饋調(diào)控的目的。
     有這樣常用的一種AVR類型。取樣自主發(fā)電機輸出電壓的信號從8、9兩端輸入到電壓測量比較單元,與內(nèi)部預先設定的電壓值(例如380V)相比較。比較結果以輸出電壓UA送入脈沖寬度調(diào)制單元PWM,輸出電壓UC送入低頻保護單元。電壓測量比較單元的L、S、H是連接主發(fā)電機輸出電壓幅值調(diào)節(jié)電位器的三個端子。
     脈沖寬度調(diào)制器由穩(wěn)壓器輸出的直流電壓UCC作為工作電源,以確保其性能穩(wěn)定。它的輸出電壓UB控制調(diào)制管VT3。若由電壓測量比較單元送來的UA大,表明主發(fā)電機輸出電壓升高,則大的UA就會使脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度變窄。窄的脈沖就會使VT3導通時間短,通過的電流少。反之,主發(fā)電機電壓降低UA變小,脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖UB的寬度隨之變寬,從而使VT3導通時間變長,通過的電流增多。
     勵磁機定子線圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機電樞送來的EA、EB、Ec三相電壓,經(jīng)過三個二極管VD10、VD11、VD12整流后,電流從X1端流入勵磁機的定子線圈,由XX1流出,再經(jīng)過調(diào)制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機電樞,形成勵磁機定子線圈的勵磁電流通路。VT3是這個通路上的開關,它導通時間長,則定子線圈流過電流時間長,定子磁場強度大;VT3導通時間短,定子線圈電流少,定子磁場強度小。
     AVR就是這樣調(diào)控主發(fā)電機的電壓的;主發(fā)電機由于負荷原因輸出電壓升高,電壓測量比較單元輸出的UA隨著升高,受UA控制的脈寬調(diào)制器輸出脈沖UB寬度變窄,開關管VT3導通時間短,勵磁機定子磁場減弱,轉子電樞電壓及旋轉整流器輸出電流隨之減小,導致供給主發(fā)電機轉子的勵磁電流變小,則主發(fā)電機因其轉子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之,AVR的負反饋調(diào)控功能就會使主發(fā)電機的輸出電壓升高。
     在主發(fā)電機因負荷超出額定值而輸出極大電流時,柴油也需隨之輸出巨大的動力以致導致其轉速低于額定值。低頻保護單元的作用就是在這種情況下限制勵磁機定子線圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構成的充放電支路預先設定一個低頻保護點,當主發(fā)電機負荷正常時,從電壓測量單元來的UC小于低頻保護點,則低頻保護單元輸出的電壓Ud高,二極管VD8被截止,Ud到不了脈寬調(diào)制器,起不了作用。若主發(fā)電機超載則Ud變低,VD8導通,Ud和UA就可同時作用于脈寬調(diào)制器,使其輸出的脈沖UB隨Ud的下降而變窄,調(diào)制管VT3導通時間隨之變短,勵磁電流減小勵磁機定子磁場變?nèi)?從而導致主發(fā)電機轉子磁場減小。發(fā)電機輸出電壓下降、電流減小。低頻保護單元起到了保護勵磁機和主發(fā)電機的作用。